立式热虹吸式再沸器设计

论文题目:立式热虹吸式再沸器的设计

院(部)名 称: 机械学院 学 生 姓 名: 专 业: 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 论文答辩时间: 学位授予时间:

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摘 要

精馏的本质是利用不同物质的挥发度不同，通过多次汽化、多次冷凝的精馏过程而达到物质分离的单元操作过程，而多次汽化所需的能量即通过再沸器提供的，这就是再沸器的作用。

甲醇釜液再沸器是一种换热器，通常采用热虹吸式换热器，也是一种列管式换热器，在生产企业中占有较重要的地位，它直接影响产品的质量和产量。

本设计主要是对其工艺、结构等的设计，通过选用换热设备的型号和对国标的查找，设计出经济实用的化工设备。再沸器的结构图使用AutoCAD二维绘图软件绘制，清楚地表达出结构尺寸，便于改进和生产。

主要介绍了再沸器的设计工作以及它在生产过程中处于的地位和作用，它是精馏塔不可或缺的一部分，它提供给精馏塔多次汽化所需的能量，它与冷凝器等都是换热设备。

关键词：

再沸器 汽化 AutoCAD 列管式换热器 甲醇

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ABSTRACT

Distillation is the physical separation unit operation which is achieved by the repeated distillation process of several vaporization and condensation, since the volatility of different materials vary from each other. And the energy required for vaporization is provided by the reboiler This is the role of the reboiler.

Methyl reboiler is a heat exchanger, it is also a tube-type heat exchanger. In the manufacturer industry it plays a very important role, for it has direct impact on the product quality and yield .

This design is mainly for its technology, structure design. By selecting the model and the national standards of the heat transfer exchanger, we can come up with the economic and practical design of chemical equipment. Reboiler structure diagram is drawn by the two-dimensional drawing software drawing AutoCAD.So we can clearly express the structure size and it is convenient for us for further improvement and production.

Now we have completed the design of the reboiler and its role in the production process. It is an integral part of the distillation column, which provides the energy needed to vaporize several distillation columns. Along with condensers they are both the heat exchangers.

Key words：

Reboiler ；Vaporization ； AutoCAD ；distillation column heat exchanger ；methyl

目 录

前 言.............................................................. 3 第一章 再沸器基本参数............................................... 5

1.1、设计任务和设计条件 ......................................... 5 1.2、再沸器类型的选择 ........................................... 6 1.3、流程的安排 ................................................. 6 1.4、再沸器的热流量计算 ......................................... 7 1.5、流体的有效平均温差 ......................................... 7 1.6、传热面积的估算 ............................................. 7

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1.7、再沸器基本参数的初步确定 ................................... 8

1.7.1换热器型号 ............................................. 8 1.7.2折流板 ................................................. 8 1.7.3拉杆 .................................................. 10 1.7.4 防冲板................................................ 11

第二章 再沸器机械强度设计......................................... 12

2.1 壳体壁厚计算 ............................................... 12 2.2 管箱壁厚计算 ............................................... 13 2.3 封头壁厚计算 ............................................... 14 2.4、管箱结构 .................................................. 15

2.4.1 管箱结构尺寸确定...................................... 15 2.4.2 管箱法兰............................................. 16 2.4.3 垫片.................................................. 17 2.5、固定管板计算 .............................................. 18 2.6、壳体、管子与管板连接结构设计 .............................. 22

2.6.1壳体与管板连接 ........................................ 22 2.6.2管子与管板连接 ........................................ 22 2.7、管板与管箱连接 ............................................ 24 2.8、判断是否需要膨胀节 ........................................ 24 2.9、开孔补强设计 .............................................. 26 2.10、接管 ..................................................... 28 2.11、排气、排液 ............................................... 29 2.12、支座的选择 ............................................... 30 第三章 结论........................................................ 33 主要参考文献....................................................... 33 致 谢............................................................. 34

前 言

1、概述

再沸器（也称重沸器）顾名思义是使液体再一次汽化。它的结构与冷凝器差不多，不过一种是用来降温，而再沸器是用来升温汽化。再沸器多与分馏塔合用：再沸器是一个能够交换热量，同时有汽化空间的一种特殊换热器。在再沸器中的物料液位和分馏塔液位在同一高度。从塔底线提供液相进入到再沸器中。通常在再沸器中有25-30%的液相被汽化。被汽化的两相流被送回到分馏塔中，返回塔中的气相组分向上通过塔盘，而液相组分掉回到塔底。由于静压差的作用，塔底

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将会不断补充被蒸发掉的那部分液位。 2、再沸器发展趋势

目前国内外再沸器的选用原则是:工程上对再沸器的基本要求是操作稳定、调节方便、结构简单、加工制造容易、安装检修方便、使用周期长、运转安全可靠，同时也应考虑其占地面积和安装空间高度要合适。 下面是几种常见的再沸器介绍

(1)立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环。这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间短，不易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。但由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法洗涤，因此不适宜用于高粘度或较脏的加热介质。同时由于是立式安装，增加了塔的裙座高度，但可以考虑采用耳式支座。 (2)卧式热虹吸再沸器也是利用塔底单相釜液与再沸器中气液混合物的密度差维持循环。卧式热虹吸再沸器的传热系数和釜液在加热段的停留时间均为中等，维护和清理方便，适用于传热面积大的情况，对塔釜液面高度和流体在各部位的压降要求不高，可适于真空操作，出塔釜液缓冲容积大，故流动稳定。缺点是占地面积大。

立式及卧式热虹吸再沸器本身没有气、液分离空间和缓冲区，这些均由塔釜提供。

立式再沸器：工艺物流测在管程，传热系数高，投资低，裙座高度高，汽化率为3%-35%。

卧式再沸器：工艺物流测在壳程，传热系数中偏高，投资适中，占地面积大，裙座高度低，汽化率为3%-35%。

(3)强制循环式再沸器是依靠泵输入机械功进行流体的循环，适用于高粘度液体及热敏性物料、固体悬浮液以及长显热段和低蒸发比的高阻力系统。 (4)釜式再沸器由一个带有气液分离空间的壳体和一个可抽出的管束组成，管束末端有溢流堰，以保证管束能有效地浸没在液体中。溢流堰外侧空间作为出 料液体的缓冲区。再沸器内液体的装填系数，对于不易起泡沫的物系为80%，对于易起泡沫的物系则不超过65%。釜式再沸器的优点是对流体力学参数不敏感，

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可靠性高，可在高真空下操作，维护与清理方便；缺点是传热系数小，壳体容积大，占地面积大，造价高，塔釜液在加热段停留时间长，易结垢。

(5)内置式再沸器是将再沸器的管束直接置于塔釜内而成，其结构简单，造价比釜式再沸器低；缺点是由于塔釜空间容积有限，传热面积不能太大，传热效果不够理想。

3、研究内容和方法

根据整体工艺流程图判断再沸器在其中的作用，进而考虑再沸器的结构型式，综合考虑，一般选用立式热虹吸式再沸器，是一种列管式换热器。根据换热器的设计标准对其进行工艺、机械设计，并画出其详细的结构生产图和零件图。 4、使用软件介绍

AutoCAD是美国Autodesk公司推出的，集二维绘图、三维设计、渲染及关联数据库管理和互联网通信功能为一体的计算机辅助设计与绘图软件，AutoCAD提供了一系列的二维图形绘制命令，可以方便地用各种方式绘制二维基本图形对象，如：点、直线、圆、椭圆等等，并可对指定的封闭区域以图案填充，还提供了很强的图形编辑和修改功能，如：移动、旋转、缩放、延长等等，可以灵活方便地对选定的图形对象进行编辑和修改。为了绘图的方便、规范和准确，AutoCAD提供了多种绘图辅助工具，包括绘图区光标点的坐标显示、用户坐标系、栅格、捕捉等功能，AutoCAD在机械、建筑和电子等工程设计领域得到了广泛的应用，目前已成为微机CAD系统中应用最广泛和普及的图形软件。

第一章 再沸器基本参数

1.1、设计任务和设计条件 设计任务和设计条件如表1-1

表1-1 设计任务和设计条件 序号 名称 壳程 指标 管程 5

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1 2 3 4 5 6 7 设计压力MPa 工作压力MPa 设计温度℃ 工作温度℃ 焊接接头系数 进口管直径mm 出口管直径mm 0.9 0.7 150～160 120～130 0.85 0.3 0.11 120 103 0.85 573 383 4 1595 1.2、再沸器类型的选择

工程上对再沸器的基本要求是操作稳定，调节方便，结构简单，加工制造容易，安装检修方便，使用周期长，运转安全方便可靠，同时也应考虑其占地面积和安装空间高度合适。立式热虹吸再沸器是利用塔底釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度形成循环推动力，使得釜液在精馏塔与再沸器之间流动循环，这种再沸器具有传染系数高、结构紧凑、安装方便，釜液加热段停留时间短，不易结垢，调节方便，占地面积少，设备及运行费用低等优点，一般情况下，在满足工艺要求前提下，应首先考虑选用立式热虹吸再沸器，本设计采用立式热虹吸再沸器。

该再沸器由于用于甲醇的蒸汽再沸，工艺设计时考虑到甲醇具有较高的清洁度，不易在管道内产生污垢以及温差不大，甲醇的腐蚀性较小，考虑到甲醇产品的纯度要求较高，为此再沸器的管子和壳体均采用不锈钢制造。

1.3、流程的安排

该再沸器由于用于甲醇的蒸汽再沸，工艺设计时考虑到甲醇具有较高的清洁度，不易在管道内产生污垢，具有饱和蒸汽冷凝的再沸器应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液，因此考虑甲醇走管程，水蒸气走壳程。

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1.4、再沸器的热流量计算

查设计常用标准得水蒸气在管道中常用速度范围为20～40m/s,本设计取30m/s，则进口流量

qvuA354(0.05)2m3/s0.069m3/s (1-1)

又查水蒸气在160c时密度为3.252kg/m3 则壳程冷凝量

qmqv0.063.252kg/s0.22kg/s (1-2)

查化工原理壳程在则热流量

150160c155c时潜热02098kJ/kg 2qm00.2220981000w4.62105 (1-3)

1.5、流体的有效平均温差 因采用逆流换热，则

tmt1t2(160120)(150120)k34.76k (1-4) t1160120lnlnt21501201.6、传热面积的估算

根据物料性质选取k700w/(m2k) 则传热面积

4.621052m18.99m2 (1-5) Apktm70034.76 圆整取Ap19m2

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1.7、再沸器基本参数的初步确定

1.7.1换热器型号

管径：选用较小的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量小，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体，由于甲醇腐蚀性小，是清洁流体，故可选用d0252的不锈钢。

管心距：由于管程介质干净，管外无需清洗，取管心距 t1.4d01.425mm35mm (1-6) 管长：按单管程计算，取管长L2m2000mm 则传热管管数

nApdL19121 (1-7)

3.140.0252管子采用正三角形排列，则

n3a(a1)1 (1-8)

求得a6，则正六边形对角线上传热管数目

b2a126113 (1-9)

则单程换热器壳体内径

Dit(b1)(2~3)d035（131）325 (1-10) 495mm查标准取Di500mm 1.7.2折流板

1.7.2.1选择弓形折流板

设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。

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弓形折流板结构简单，性能优良，一般标准换热器中只采用这种形式，弓形折流板切去的圆缺高度一般是壳体内径的10%~40%，常用值为20%～25%，经验证明，20%的切口最为适宜，在相同的压力降下，能提供最好的传热性能。 折流板间距B的选取最好使壳体直径处的管间流动面积与折流板切口处的有效流动面积近似相等，这样可以减少介质在通过缺口前后由于流通面积的扩大与收缩而引起的压力损失。对于20%的切口，符合此要求的折流板间距B为壳体直径Di的三分之一，一般情况下可使折流板间距不大于Di或小于Di/5. 折流板高度h初步确定 h0.2Di0.2500mm100mm (1-11)

由排管分布图知，应将尺寸调整到被切除管孔保留到小于1/2孔位，取h112mm

折流板间距B初步确定

BDi500mm167mm (1-12) 33圆整取B=200mm 1.7.2.2 折流板厚度

折流板厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，厚度选取4mm，如表1-2

表1-2 折流板厚度/mm

壳体公称直径 300 换热管无支撑长度 >300,600 厚度 >600,900 159～325 400～700 1.7.2.3折流板与壳体间隙

4 4 5 5 6 折流板与壳体的间隙依据制造安装条件，在保证顺利的装入前提下，越小越好，以减少壳程中旁路损失，排列方式采用水平切口。

查表4-2（化工单元过程及设备课程设计）取折流板外径允许偏差-0.5mm，如表1-3

表1-3折流板外直径/mm

公称直径DN

<400 >400,<500 9

>500,<900 >900,<1300 中国石油大学2012届毕业生毕业设计

折流板名义外直径 折流板外径允许偏差 1.7.2.4 折流板的管孔

DN2.5 -0.5 DN3.5 DN4.5 -0.8 DN6 折流板上管孔中心距等于管心距，公差为相邻两孔±0.3mm，任意两孔折±1.00mm，折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5×45·

流板的管孔直径有表4-5查得允许偏差为+0.4mm

表1-4换热器折流板管孔尺寸及允许偏差/mm

换热管外径d 折流板管孔直径 管孔直径允许偏差 折流板结构形式如图1

10 10.5 14 14.6 +0.40 19 19.6 25 25.8 图1 折流板结构形式

1.7.3拉杆

本设计采用拉杆定距结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热管后，各折流板处于相对自由状态。

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拉杆直径由表4-7查得取16mm

拉杆数量由表4-8查得取4mm 因为折流板间距B=200mm

所以拉杆长度选取3根L1200920401860mm (1-13) 1根L2200820401660mm (1-14) 拉杆结构形式如图2

图2 拉杆结构形式

1.7.4 防冲板

为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起腐蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。

防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁形成的流通面积为壳程进口接管截面积的1～1.25倍。也就是接管与壳体内表面形成的马鞍形和防冲板平面间形成圆柱形侧面积，实际上接管管径确定后，就是一个防冲板与壳体内壁的高度H的确定，一般规定H=（1/4～1/3）接管外径，则

Hd0150mm12.5mm (1-15) 44圆整取H=20mm

防冲板为不锈钢时最小厚度取4mm 防冲板结构形式如图3

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图3 换热器防冲板结构形式

第二章 再沸器机械强度设计

2.1 壳体壁厚计算

根据工艺条件，壳程设计压力为P0.9MPa，焊接采用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数0.85，材料用Q235-B ，113MPa ， 取钢板厚

t度负偏差c10.8mm，腐蚀余量c22mm，则

cc1c220.82.8mm (2-1) 则壁厚

n

PcDict2PC0.95002.8 (2-2)

21130.850.92.352.85.15mm考虑到换热器立体摆放，壳体上需要安装支座，为此适当增加筒体壁厚，且对合金钢最小壁厚要求，取筒体名义厚度为n8mm，

水压试验压力为

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pT1.25pc则

1.250.9MPa1.125MPa (2-3) tTpT(Die)2e1.125(50082.8)MPa (2-4)

2(82.8).65MPa所用Q235-B材料在常温是s235MPa，则

0.9s0.92350.85MPa179.775MPa (2-5) 因T0.9S故水压强度满足要求 气压试验pT1.15p1.150.91MPa1.035MPa (2-6) tTpT(Die)1.035(50082.8)MPa50.3MPa (2-7)

2e2(82.8)因T0.8S0.82350.85MPa159.8MPa

故气压试验满足要求

2.2 管箱壁厚计算

再沸器管箱选用材料Q235-B，该材料在设计温度下113MPa，焊接采

t用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数0.85，设计压力pc0.3MPa，钢板厚度负偏差c10.8mm，腐蚀余量c22mm，则

cc1c220.82.8mm (2-8) 管箱名义厚度为

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n

pcDit2pc0.35002.8 (2-9)

21130.850.33.6mm 圆整取n6mm 水压试验压力 pT1.25pc 则

1.250.31MPa0.375MPa (2-10)

tT

pT(Die)2e0.375(50062.8)MPa (2-11)

2(62.8)29.48MPa 所用材料Q235-B在常温时s235MPa，则

0.9s0.92350.85MPa179.775MPa (2-12)

因T0.9s，故水压试验满足要求 气压试验pT1.15p则

1.150.31MPa0.345MPa (2-13) tTpT(Die)2e0.345(50062.8)MPa (2-14)

2(62.8)27.1MPa因T0.8s0.82350.85159.8MPa，故水压试验满足要求

2.3 封头壁厚计算

封头采用标准椭圆形封头，材料采用Q235-B，则

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npcDict20.5pc0.35002.8 (2-15)

21130.850.50.33.58mm由于管箱壁厚取6mm 故封头厚度圆整取6mm

在此情况了压力试验一般都满足要求 标准椭圆形封头结构形式如图4

图4 标准椭圆形封头结构

2.4、管箱结构

2.4.1 管箱结构尺寸确定

管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出，本设计采用单程换热器，其结构如图5

图5 管箱结构形式

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管箱所要确定的尺寸主要是由排管图确定的分程隔板位置尺寸，由壳程直径决定的管箱直径以及管箱长度尺寸，管箱长度尺寸的确定是以保证流体分布均匀、流速合理以及强度因素来限定最小长度，而已制造安装方便来最大长度的。还要求管箱上各相邻焊缝之间距离大于或等于4s，且应大于或等于50mm，s为管箱壁厚，单程管箱采用轴向接管时，接管中心线上的管箱长度应大于或等于接管内径的1/3. 即 Lgmin150mm50mm (2-16) 3 综合考虑管箱应有足够空间来均匀输送流体，由标准椭圆形封头曲面高度

h1125mm，直边高度为25mm，质量为14.57kg

取Lg400mm，则管箱筒节长为250mm 2.4.2 管箱法兰

换热器常采用的法兰结构形式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰封面形式：平面、凸凹面和榫槽面。

法兰的结构形式和密封面形式，应根据使用介质、设计压力、设计温度、公称直径等因素来决定。 设备法兰标准有： JB/T 4701 甲型平焊法兰 JB/T 4702 乙型平焊法兰 JB/T 4703 长颈对焊法兰

甲型平焊法兰选用的压力范围为0.25～1.6MPa ,乙型平焊法兰选用的压力范围为0.25～4MPa，长颈对焊法兰选用的压力范围为0.6～6.4MPa。法兰尺寸如表1-5

表1-5甲型平焊法兰系列尺寸/mm

公称直径DN 500 法兰 螺柱 D 630 D1 D2 D3 D4 555 5 2  d 23 规格 数量 590 35 M20 20 16

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根据设计条件，管箱法兰选取甲型平焊法兰，如图6

图6 管箱法兰结构

2.4.3 垫片

设备垫片标准主要有：

JB/T 4704 非金属软垫片 JB/T 4705 缠绕垫片 JB/T 4706 金属包垫片

一般情况下非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面和凹凸密封面，缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面、榫槽密封面。金属包垫片适用于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面、榫槽密封面。

垫片的外径D、内径d，按相应垫片标准选取。也可按所选用的法兰的密封面形式、尺寸定取，这时可由公称直径定垫片的内径d，在参考标准给出的法兰垫片宽度求得垫片外径D。

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垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封程度，对垫片本身要考虑垫片性能，压紧面形式，螺栓力大小以及拆装后复用的次数，对高温高压的情况一般多采用金属垫片，中温中压可采用金属与非金属组合式或非金属垫片，中、低压情况多采用非金属垫片，高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。

根据条件要求，再沸器属于低压容器，根据工作压力0.3MPa，工作温度130oc，所以采用密封垫圈宽20mm的石棉橡胶垫片（平形），厚度为3mm。

2.5、固定管板计算

管板比起圆平板其受力复杂得多，且这些力往往难以估计，本设计采用BS法计算管板强度，BS法是把管板当作承受均布载荷且放置在弹性基础上的圆板，计入孔削弱的影响，计算最大弯曲应力，

管板孔直径和允差如下表1-6

表1-6换热管和管板孔直径允许偏差/mm 换热管 允许偏差 管板 允许偏差 管孔直径 外径 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅰ级 Ⅱ级 +0.15 10 14 19 25 0.15 0.20 10.20 10.30 14.25 14.40 0.20 0.40 19.25 19.40 +0.15 +0.20 25.25 25.40 又要求知，本设计压力属低压，故选用Ⅱ级 管板采用Q235-B，换热管采用20号碳素钢

假设管板厚度取 b=35mm 总换热换管数量 n=121 一根管壁金属的横截面积为

a42(d0d12)4(252212)mm2144.44mm2 (2-17)

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开孔强度削弱系数（单程） 0.4 两管板间换热管有效长度L估取2000mm 计算系数K

K21.321.3214.9Dib50035naLb121144.44 (2-18)

0.4200035 则K=3.86

按管板简支考虑，依K值查图4-45、图4-46、图4-47得 G12.9 G20.66 G32.8 又查得Q235-B和20号钢的弹性模量为 Es2.06105MPa Et2.0105MPa

筒体壳壁金属的横截面积

B(Di)3.14(5008)8mm21.3104mm2 (2-19)

筒体内径截面积

A4Di23.145002mm21.9625105mm2 (2-20) 4管板上管孔所占的总截面积

nd021213.1425.402Cmm25.9366104mm2 (2-21)

44则管子与筒体刚度比

Etna2105121144.44Q1.3

EsB2.061051.3104(2-22)

na121144.440.128 (2-23) AC19625059366AC19625059366系数0.7 (2-24)

A196250系数查得筒体、管子的线膨胀系数为

as14106/c at13106/c

则换热管与壳体总膨胀差为

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yat(ttt0)as(tst0)13106(16030)14106(12030) (2-25) 4.30104 则最大压差

pbpspt(1Q)yEt1.3)0.1284301062105 (2-26) 0.90.3(10.1280.711.0125MPa 则当量压差为

papspt(1)0.90.3(10.128) 0.5616MPa则管板最大应力

pbDi2r4G1(QG3)(b)0.711.0120.42.9(1.32.8)(50035)2MPa (2-28)

82.8MPa管子最大应力

1pbG2t(paQG)3111.0125（00.128（0.5616.66）1.32.8）MPa (2-29) 18.237MPa或

1t(ppbG3aQG)3111.01250.128(0.56162.81.32.8)MPa (2-30) .37MPa管板采用Q235-B t113MPa

换热管采用20号钢 t130MPa

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(2-27) 中国石油大学2012届毕业生毕业设计

管板，管子强度校核

rt113MPa tt130MPa

故管板厚度满足强度要求，考虑管板双面腐蚀取C24mm，则取实际管板厚度为39mm

管板结构形式如图7

图7 兼作法兰管板结构图

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2.6、壳体、管子与管板连接结构设计

2.6.1壳体与管板连接

管板与壳体的连接依换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接，可拆连接主要用于浮头式、U形管式和填料函式换热器的固定端管板，不可拆连接在刚性结构换热器中采用，其两端管板的内侧面直接焊在壳体上，而根据两端管板的外侧面连接形式又分为管板兼作法兰和不兼作法兰，前者用于管侧介质压力及密封性能要求不高的场合即通常称为固定管板式换热器，后者多用于管侧压力很高或密封性能要求也高的高压高温换热器中。

本设计采用的是延长部分兼作法兰的管板，根据设计要求，采用角焊缝，结构如图8

图8 兼作法兰的管板与壳体的连接结构

2.6.2管子与管板连接

为了防止管子与管板连接处的破坏，必须正确选择连接形式和制造工艺，防止管束振动，对于有高温介质冲刷的部位，采取适当的隔热防护结构，对于温差

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压力过大的采取有效的补偿措施，

管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接混合结构。 本设计采用强度焊接连接，能保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接，管子和管板的焊接目前采用广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此加工方便，也不需要像胀接那样一定得和管板有硬度差，在高压、高温条件下还可考虑选用强度高的低合金管等，在高温高压下能保证连接处得紧密性和抗拉脱性，当管子焊接处有渗漏可以补焊，管子破漏，可以用专门刀具划掉焊缝，重新更换新管子，

基于以上要求和特点，故选择强度焊接连接，结构如图9

图9 换热器管板与管子连接

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2.7、管板与管箱连接

管板与管箱连接多数是靠法兰连接，形式很多，随着温度，压力及耐腐蚀情况不同而异，在设计中应合理选择不同连接形式，对设备的制造，安全以及节约材料有重要的意义。

固定管板式换热器的管板与管箱法兰连接形式比较简单，除了满足工艺上要求选择一定的密封面形式外，按压力、温度来选用法兰结构形式，本设计采用平面密封形式，平面密封形式使用于管程操作压力小于1.6MPa，且对密封性要求不高的情况，结构如图10

图10 固定管板式换热器管板与管箱的连接

2.8、判断是否需要膨胀节

膨胀节是装在固定管板式换热器上的挠性构件，依靠这样易变形的挠性构件对管子与壳体的热膨胀差进行补偿，以此来缓解和降低壳体与管子因温差而引起的温差应力

管壳壁温差所产生的轴向力

F1E(ttts)AsAtAsAt (2-31)

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其中11.2106c1 E0.2106MPa t35c

AsDn3.145008mm212560mm2 (2-32) At(d02di2)n3.14(252212)121mm217477.24mm2 (2-33)

44则

F11.21060.21063511256017477.241256017477.24N (2-34) 6105N压力作用于壳体上的轴向力

FQAs2A (2-35) sAt其中

Q24[p2s(Dnd0)nd2ipt]3.144[0.9(5002121252)1212120.3]N (2-36) 1.36105N则

1.36105F1256021256017477.24N0.57105N (2-37)

压力作用在管子上的轴向力

Ft3QAAtAs1.3610517477.241256017477.24N (2-38) 0.79105N则壳体最大应力

1F2sFAs61050.5710512560MPa (2-39)

52.3MPa

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换热管最大应力

tF3F1At0.791056105MPa (2-40)

17477.2429.8MPa又因2s21130.85MPa192.1MPa (2-41）

ts2ts

故满足设计要求，本换热器不需要设置膨胀节

2.9、开孔补强设计

由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管，开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。

压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、壁厚补强和整锻件补强。而开孔补强设计准则有等面积补强和极限分析补强，一般设计都用等面积补强设计准则，

压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度，接管根部有填角焊缝，焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上，这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处得最大应力，因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。

GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于mm时，只要接管最小厚度满足下表要求，就不另行补强，不另行补强尺寸如表1-7

表1-7不另行补强的接管最小厚度/mm

接管公称直径 25 最小厚度 32 3.5 38 45 48 57 65 76 4.0 5.0 6.0 26

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所以依据标准，甲醇出口管1505需要进行开孔补强校核，

等面积补强设计方法主要用于补强圈结构的补强计算，基本原则就是使有效补强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属面积。

等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据，但实际的开孔接管时位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减少实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，必须对开孔的尺寸和形状给予一定的。GB150对开孔最大直径做了如下

圆筒上开孔的，其内径Di1500mm时，开孔最大直径d1Di，且21d520mm;当其内径Di1500mm时，开孔最大直径dDi，且d1000mm。

3开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为1505，考虑实际情况选20号钢130MPa，1505，C21。

接管计算厚度 tPcD00.3150mm0.203mm (2-42) t2Pc21300.850.3接管有效厚度 etntC1C2510.1553.25mm (2-43) 开孔直径 ddi2C150252(150.15)143.5mm (2-44) 接管有效补强宽度 B2d2143.5mm287mm

接管外侧有效补强高度 h1dnt143.55mm26.786mm (2-45) 需补强面积 Ad143.50.78mm2111.93mm2 (2-46) 可以作为补强的面积为

A1(Bd)(e)(287143.5)(3.20.78)mm2347.27mm2 (2-47) A22h1(ett)fr226.786(3.250.203)1mm2163.23mm2 (2-48)

因A1A2347.27163.23510.5mm2A111.93mm (2-49) 故该接管补强的强度足够，不需要另设补强结构

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2.10、接管

（1）按要求取壳程进汽口管为573

壳程出汽口管为383 管程进口管为4 管程出口管为1595 （2）接管伸出长度确定

接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰形式、焊接操作条件、螺栓拆装，有无保温及保温厚度等因素决定，一般最短应符合下式 lhh115其中h为接管法兰厚度，h1为接管法兰的螺母厚度，为保温层厚度，l为接管伸出长度 接管法兰选用带颈平焊钢制管法兰 蒸汽进口法兰 SO50(B)-FF

冷凝水出口法兰SO32(B)-FF 甲醇进口法兰 SO80(B)-FF 甲醇出口法兰 SO150(B)-FF

则蒸汽进口伸出长度l1201081553mm (2-50) 蒸汽出口伸出长度l2181081551mm (2-51) 甲醇进口伸出长度l3201081553mm (2-52) 甲醇出口伸出长度l4241081557mm (2-53) 上述估算后应圆整到标准尺寸由表4-12PN4.0MPa的接管伸出长度圆整

l1150mm l2150mm l3150mm l4200mm

（3）接管安装位置最小尺寸确定 不带补强圈Ld0(b4)c (2-) 2 为考虑焊缝影响，一般取c3倍壳体壁厚且不小于50～100mm

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5039487149mm (2-55) 230 蒸汽出口l239487139mm (2-56)

2则蒸汽进口l1接管安装结构尺寸如图11

图11 壳程接管安装位置

2.11、排气、排液

为提高传热效率，排除或回收工作残夜（气），凡不能借助其他接管排气、排液的换热器壳程和管程的最高、最低点，分别设置排气、排液接管，排气、排液接管的端部必须与壳体和管箱壳体内壁平齐。

立式换热设备，壳程的介质为蒸汽时，，排气可采用在筒体上部开设不小于16mm的孔，排液时在筒体底部开设小孔，排气管选用203，排液管选用203

换热管壳程排液口如图12，排汽口如图13

图12 换热管排液口

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图13 换热管排汽口

2.12、支座的选择

支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件，在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用，压力容器支座的结构形式很多，根据容器自身的安装形式，支座可以分为两大类:立式容器支座和卧式容器支座，因本设计采用的是立式再沸器，故选用立式容器支座。

立式容器有耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座等四种支座，中、小型直立容器采用前三种支座，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。

耳式支座又称悬挂式支座，它由筋板和支脚板组成，广泛用于反应釜及立式换热器等直立设备上，优点是简单、轻便，但对器壁会产生较大的局部应力，因此，当容器较大或器壁较薄时，应在支座与器壁间加一不锈钢垫板耳式支座分为A型（短臂）和B型（长臂）两类，每类又有带垫板和不带垫板两种，不带垫板的分别以AN和BN表示，B型耳式支座有较大安装尺寸，当容器外面包有保温层，或者将容器直接放置在楼板上时，宜选用B型。

根据设计要求，采用B型耳式支座。

查标准椭圆形封头重为m114.572kg29.14kg (2-57) 筒体、管板重量估算 m21002750.2555273.75kg (2-58) 法兰重量估算 m322.76245.52kg (2-59)

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管子重量估算 m41.4821211.48359.kg (2-60) 介质、甲醇溶液重量估算 m520.1961000392kg (2-61) 则设备总质量为

mm1m2m3m4m529.14273.7545.52359.392 (2-62) 1099.05取m1100kg

水平地震力pe0.5mg00.511009.80.23N1239.7N (2-63) 水平风载荷

pw0.95fiq0D0H01060.950.80.45162450106 (2-) 384.1N/m2 则耳式支座实际承受载荷的近似计算

mgGe4(phGeSe)3Q10nDkn 11009.85004(1239.7600500100)103 (2-65)

0.83445004.98N由JB/T 4725-92，耳式支座主要尺寸如表1-7

表1-7耳式支座主要尺寸 mm 允许载荷Q,kN 容器公称直径DN 高度H 底板 垫板 l1 b1 1 100 125 60 80 6 8 s1 30 40 l3 160 200 b3 3 125 160 6 6 e 20 24 10 20 允许载荷Q,kN 10 20

300～600 500～1000 支座号 1 2 125 160 B型筋板 地脚螺栓 M M20 M20 支座质量kg A型 AN型 B型 BN型 1.7 3.0 0.7 1.5 2.5 4.3 1.6 2.8 l2 160 180 b2 2 d 80 100 5 6 31

24 24 中国石油大学2012届毕业生毕业设计

由计算和标准耳式支座主要尺寸选取B型20KN耳式支座，耳式支座结构形式如图14

图14 换热器筒体耳式支座结构形式

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第三章 结论

此次设计全面了解了换热器的工作原理和结构设计，熟练地应用了AutoCAD绘图软件。在设计初期，翻译了英文文献，利用文献检索查阅了大量的资料，为设计后期做了充分的准备。

在设计阶段，详细的阅读了设计任务书，查阅资料了解再沸器工作原理，再沸器的种类及性能，对甲醇提纯的生产过程做出了工艺流程图，了解了如何制取满足工艺要求的方法。然后根据工艺条件，初选再沸器的换热管型号和数量，进行机械设计，一边设计一边校核，再一边修改，最后确定再沸器的结构尺寸。

甲醇再沸器选择列管式换热器、立式安装，是蒸馏塔蒸发甲醇液体的一部分，利用其高效的传热技术提高了甲醇制取的浓度，目前各企业选用热虹吸式再沸器，其结构简单，安装方便。甲醇制取需用卫生级板材，选用不锈钢材料可以有效地保证酒精的卫生度，并合理的选择了管件。

在这期间懂得了设计的严谨性和标准性，完善了本专业的系统学习，为这四年的专业学习画上了个的句号，但学无止境还有很多需要学习的，也为步入社会从事设计工作做了个准备工作。

主要参考文献

[1] 顾芳珍，《化工设备设计基础》，大学出版社

[2] 郑津洋主编，《过程设备设计基础》，化学工业出版社 [3] 王菲主编，《化工设备用钢》，化学工业出版社 [4] 蔡纪宁编，《化工设备机械基础》，化学工业出版社

[5] 匡国柱编，《化工单元过程及设备课程设计》，化学工业出版社 [6] 蔡纪宁编,《化工制图》，化学工业出版社

[7] 席伟光编，《机械设计课程设计》，高等教育出版社 [8] 秦叔经编，《换热器》，化学工业出版社

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致 谢

为期一个学期的毕业设计终于尘埃落定了，回首这段时光，发现充实了不少。

首先要感谢我的指导老师汤老师，汤老师认真负责，兢兢业业，他对我们严格要求，多少次亲自找我们谈话，给我们指正论文中的错误，帮我们解答设计过程中遇到的难题。并随时关注我们的论文进度，想尽一切办法解决我们的实际困难。没有汤老师的帮助，我的论文不可能这么顺利完成。

在本次毕业设计中得到了同学的不少帮忙，他们不仅在设计上给予我力所能及的帮助，而且在生活上给予我无微不至的关怀。

还要感谢为我答辩的所有的老师，感谢你们在百忙之中抽出时间。 最后要感谢我的父母，每当我遇到困难的时候，父母总是第一个给我鼓励的人，我所走过的人生的每一步都浸透着他们无私的关爱与谆谆教诲。他们在精神上和物质上的无私支持，使得我的毕业设计少了不少后顾之忧。他们是我人生之中最坚强的后盾，他们是我生命中最值得信赖和依靠的人。

最后，向所有关心我和爱护我的所有同学，师长，朋友致以最诚挚的感谢！

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